ADAS和自动驾驶的关键组件雷达收发器的介绍
在本篇专门介绍汽车雷达的博客中，介绍了使用雷达的原因以及调频连续波雷达的工作原理。现在，我们将关注系统的性能，从它的最大检测范围开始：我们可以检测到多远的前方障碍物？我们需要尽可能有远见，以便能够检测到障碍物并采取必要的行动（图 1）。雷达mmic收发器的参数有哪些，可以优化到这个范围？
当然，根据应用程序，对范围的期望会有所不同。例如，远程雷达 （lrr） 不需要高分辨率或宽视场，但旨在实现尽可能高的范围，以增加反应时间并避免高速行驶时发生事故。另一方面，短程雷达 （srr） 不需要看得很远，更喜欢具有更高的分辨率和视场。然而，即使在这种配置中，任何可以添加到范围的额外厘米都可能有助于防止复杂驾驶环境中的事故，例如城市或拥挤的停车场。
1.1 雷达探测距离和雷达距离方程
影响雷达探测范围的因素很多，设计者无法控制。因此，在第一步中，我们需要使用与电磁波传播和模拟前端相关的可用基本信息。
雷达范围r通过其链路预算直接与雷达 mmic 收发器的 rf 性能相关，在这种情况下称为雷达范围方程，它提供作为输出函数的传递到 rf 接收器前端的功率pr发射器前端的功率 （ p t ），发射和接收天线的增益 （ g tx和g rx）、工作频率（通过波长 λ）和目标的雷达横截面（σ）：
λ 4 /（4 π ∙ r ） 4表示 双向自由空间损失，而 （4 π ∙ σ ）/ λ 2 表示目标上的反射。链路预算和对雷达方程的不同贡献如图 2 所示。
图 2：雷达系统链路预算示意图。
在其系统参考文件 etsi tr 103 593 v1.1.1 （2020-05） “传输特性；77 ghz 至 81 ghz 频率范围内地面车辆应用的无线电测定设备的技术特性”，欧洲电信标准协会 （etsi） 提供了一组不同雷达操作模式下天线增益的假设值（见表 1 ） 和接收链的最小检测功率 （-110dbm）。还列出了典型目标的参考雷达截面值（表 2）。
表 1：根据 etsi tr 103 593 v1.1.1 （2020-05） 对雷达传感器天线增益的假设（假设 gtx=grx）。
表 2：根据 etsi tr 103 593 v1.1.1 （2020-05） 的典型目标的雷达横截面值。
这些值可用作评估和比较不同雷达系统理论性能的基准。
1.2 雷达mmic
如今，这些收发器是硅 rfic（射频集成电路），不仅可以在单个芯片上集成多种功能，而且还可以根据汽车雷达的要求具有多个发射和接收通道。过渡到 cmos（互补金属氧化物半导体）将降低雷达 mmic 的成本和功耗。cmos 还完全不受温度变化的影响，这是恶劣汽车环境中的理想特性。收发器 mmic 的框图示例如图 3 所示。
图 3：多通道雷达 mmic 收发器的简化框图。
雷达系统的整体性能将受到雷达 mmic 收发器中模拟射频发射和接收性能的强烈影响。在范围限制的情况下，需要考虑两个主要参数：发射器的输出功率和接收器的噪声系数。
1.2.1 发射功率
mmic 的每个传输链提供的功率将是雷达性能的关键。为此，我们必须考虑射频功率放大器的输出功率。基于该参数，并考虑上述雷达方程，在理想情况下，给定接收器灵敏度 （p rmin ） 的最大可达到范围可计算为：
这个方程表明，增加发射功率 p_t 将自动扩展雷达的范围。例如，远程雷达 （lrr） 的输出功率增加 1db 将使我们能够检测到自行车 2.8 m、摩托车 6 m 和典型汽车 11 m，如图 4 所示。高速行驶时在高速公路上，这可能意味着按时制动或撞到意外的交通障碍物之间的差异。
图 4 lrr 的检测范围与射频输出功率
但增加输出功率的好处也可以在短距离应用中看到。对于 usrr（超短程雷达），发射功率增加 1 db 将意味着增加 35 到 50 cm 或检测到小孩、行人或自行车，如图 5 所示。这对于驾驶尤其重要在拥挤的城市环境中，以避免与高度脆弱的受害者发生事故。
图 5 usrr 的检测范围与射频输出功率
当然，这些计算没有考虑实际场景中的额外损耗（例如下雨、多径传播……），所有这些因素都会相对于理想情况降低雷达探测范围。例如，雷达模块通常放置在汽车标志或保险杠后面。保险杠面板将引入 2 到 8 分贝的损失，具体取决于它们的成分和油漆。这意味着在检测范围内损失了 11% 到 37%。提供尽可能多的输出有助于解决这个问题。因此，优化射频发射链的性能，尤其是功率放大器的最后一级，是至关重要的。
1.2.2 噪声系数
除了检测阈值外，系统还需要最小信噪比 （snr） 来执行雷达处理。雷达接收机的 snr 是接收功率p r与噪声功率n之间的比值。它可以从考虑环境温度t和信号持续时间t meas的雷达方程中推导出：
其中k是波尔兹曼常数，f是噪声因子（以 db 为单位，噪声系数nf），它解释了接收器的噪声贡献。
给定一定的检测阈值snr min，理论上可达到的最大范围可以确定为：
该方程表明，通过降低噪声因子 f（以及相反的噪声系数 nf），雷达探测范围将增加。让我们假设系统需要 20db 的 snr 阈值，并考虑与上述相同的示例。
在 lrr 的情况下，如图 6 所示，将噪声系数降低 1db 将使范围增加 4m（自行车）、10m（摩托车）和 13m（汽车）。
图 6 lrr 的检测范围与噪声系数
这种范围增加在短距离范围内也很显着，通过降低 1db 的噪声系数，可以赢得 50cm 到 1m 的距离，以检测最脆弱的交通参与者（儿童和成人行人和自行车），如图 7 所示。
图 7 usrr 的检测范围与噪声系数
因此，接收器链的噪声系数也将成为雷达 mmic 收发器设计的关键参数。由于噪声的主要贡献者是模拟接收链中的第一个放大器（图 8），因此雷达 mmic 收发器中的 lna 应经过精心设计和优化以实现低噪声系数。
图 8 射频接收链的简化图。
1.2.3 设计权衡
鉴于这些结果，如果我们想通过优化雷达 mmic 收发器的 rf 性能来扩展雷达系统的范围，则有两个关键的设计参数，即输出功率和噪声系数。它们中的任何一个更好的性能都会增加检测范围。但是应该选择哪一个进行优化？
拥有更高的输出功率将有助于补偿由现实生活环境造成的额外损失。此外，它将提供更好的抗干扰保护。另一方面，mmic 会有更高的功耗和功耗。这个问题将随着更多传输通道的集成而增加。
如果功耗很关键，调整噪声系数可能是更好的选择。这是节能 mmic 的优雅解决方案。然而，低噪声系数将需要更高的 rx 增益，这反过来会影响接收器的线性度。此外，对干扰的保护可能较少，因为不需要的信号将沿着所需的信号被放大。
理想情况下，考虑到所选半导体技术和整体系统设计的局限性，两者都应尽可能地进行调整。
1.3 结论
在本条目中，介绍了雷达距离检测的限制和设计参数。当然，我们只关注 mmic 的射频性能。雷达 mmic 还有一些附加参数可以限制范围，例如模数转换器 （adc）。还可以通过优化数字接收和处理链来增加范围，从而可以获得有用的信号以降低接收功率和 snr。
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1.1 雷达探测距离和雷达距离方程
影响雷达探测范围的因素很多，设计者无法控制。因此，在第一步中，我们需要使用与电磁波传播和模拟前端相关的可用基本信息。
雷达范围r通过其链路预算直接与雷达 mmic 收发器的 rf 性能相关，在这种情况下称为雷达范围方程，它提供作为输出函数的传递到 rf 接收器前端的功率pr发射器前端的功率 （ p t ），发射和接收天线的增益 （ g tx和g rx）、工作频率（通过波长 λ）和目标的雷达横截面（σ）：
λ 4 /（4 π ∙ r ） 4表示 双向自由空间损失，而 （4 π ∙ σ ）/ λ 2 表示目标上的反射。链路预算和对雷达方程的不同贡献如图 2 所示。
图 2：雷达系统链路预算示意图。
在其系统参考文件 etsi tr 103 593 v1.1.1 （2020-05） “传输特性；77 ghz 至 81 ghz 频率范围内地面车辆应用的无线电测定设备的技术特性”，欧洲电信标准协会 （etsi） 提供了一组不同雷达操作模式下天线增益的假设值（见表 1 ） 和接收链的最小检测功率 （-110dbm）。还列出了典型目标的参考雷达截面值（表 2）。
表 1：根据 etsi tr 103 593 v1.1.1 （2020-05） 对雷达传感器天线增益的假设（假设 gtx=grx）。
表 2：根据 etsi tr 103 593 v1.1.1 （2020-05） 的典型目标的雷达横截面值。
这些值可用作评估和比较不同雷达系统理论性能的基准。
1.2 雷达mmic
如今，这些收发器是硅 rfic（射频集成电路），不仅可以在单个芯片上集成多种功能，而且还可以根据汽车雷达的要求具有多个发射和接收通道。过渡到 cmos（互补金属氧化物半导体）将降低雷达 mmic 的成本和功耗。cmos 还完全不受温度变化的影响，这是恶劣汽车环境中的理想特性。收发器 mmic 的框图示例如图 3 所示。
图 3：多通道雷达 mmic 收发器的简化框图。
雷达系统的整体性能将受到雷达 mmic 收发器中模拟射频发射和接收性能的强烈影响。在范围限制的情况下，需要考虑两个主要参数：发射器的输出功率和接收器的噪声系数。
1.2.1 发射功率
mmic 的每个传输链提供的功率将是雷达性能的关键。为此，我们必须考虑射频功率放大器的输出功率。基于该参数，并考虑上述雷达方程，在理想情况下，给定接收器灵敏度 （p rmin ） 的最大可达到范围可计算为：
这个方程表明，增加发射功率 p_t 将自动扩展雷达的范围。例如，远程雷达 （lrr） 的输出功率增加 1db 将使我们能够检测到自行车 2.8 m、摩托车 6 m 和典型汽车 11 m，如图 4 所示。高速行驶时在高速公路上，这可能意味着按时制动或撞到意外的交通障碍物之间的差异。
图 4 lrr 的检测范围与射频输出功率
但增加输出功率的好处也可以在短距离应用中看到。对于 usrr（超短程雷达），发射功率增加 1 db 将意味着增加 35 到 50 cm 或检测到小孩、行人或自行车，如图 5 所示。这对于驾驶尤其重要在拥挤的城市环境中，以避免与高度脆弱的受害者发生事故。
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当然，这些计算没有考虑实际场景中的额外损耗（例如下雨、多径传播……），所有这些因素都会相对于理想情况降低雷达探测范围。例如，雷达模块通常放置在汽车标志或保险杠后面。保险杠面板将引入 2 到 8 分贝的损失，具体取决于它们的成分和油漆。这意味着在检测范围内损失了 11% 到 37%。提供尽可能多的输出有助于解决这个问题。因此，优化射频发射链的性能，尤其是功率放大器的最后一级，是至关重要的。
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图 6 lrr 的检测范围与噪声系数
这种范围增加在短距离范围内也很显着，通过降低 1db 的噪声系数，可以赢得 50cm 到 1m 的距离，以检测最脆弱的交通参与者（儿童和成人行人和自行车），如图 7 所示。
图 7 usrr 的检测范围与噪声系数
因此，接收器链的噪声系数也将成为雷达 mmic 收发器设计的关键参数。由于噪声的主要贡献者是模拟接收链中的第一个放大器（图 8），因此雷达 mmic 收发器中的 lna 应经过精心设计和优化以实现低噪声系数。
图 8 射频接收链的简化图。
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拥有更高的输出功率将有助于补偿由现实生活环境造成的额外损失。此外，它将提供更好的抗干扰保护。另一方面，mmic 会有更高的功耗和功耗。这个问题将随着更多传输通道的集成而增加。
如果功耗很关键，调整噪声系数可能是更好的选择。这是节能 mmic 的优雅解决方案。然而，低噪声系数将需要更高的 rx 增益，这反过来会影响接收器的线性度。此外，对干扰的保护可能较少，因为不需要的信号将沿着所需的信号被放大。
理想情况下，考虑到所选半导体技术和整体系统设计的局限性，两者都应尽可能地进行调整。
1.3 结论
在本条目中，介绍了雷达距离检测的限制和设计参数。当然，我们只关注 mmic 的射频性能。雷达 mmic 还有一些附加参数可以限制范围，例如模数转换器 （adc）。还可以通过优化数字接收和处理链来增加范围，从而可以获得有用的信号以降低接收功率和 snr。
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